模块 11: 网络与 Web

应用定义消息，传输协议连接端点，IP 在网络间路由包，链路技术在本地一跳传帧。各层添加自身职责所需信息。套接字端点有地址与端口，地址选目的地，端口选服务上下文。包可经过多个路由器，路线不同于应用会话。丢失、延迟与乱序都是协议需处理的情况。

DNS 把域名映射到包括地址的记录，解析器查询缓存与分布层次。缓存有生存期，修改不会立即影响所有客户端。域名并非永久唯一 IP。URL 还有协议、路径、可能的端口和查询。实验用数字回环隔离外部 DNS 与路由，并非完整公网解析演示。

TCP 提供有序字节流及传输可靠性与流控，不保留应用消息边界：一次发送可需多次读取，多次发送也可一次读取。recv 返回空字节表示对端关闭发送方向。UDP 保留数据报边界，但不保证交付或顺序。按应用要求选择，超时不代表对端一定没执行工作。

协议可用分隔符、固定宽度或长度前缀。帧包含四字节无符号大端长度，后跟相应 UTF-8 字节。完整读头、验证最大长度、完整读体再解码。长度统计字节而非字符。辅助函数每次最多读两字节，明确练习部分读取。截断帧应拒绝，不能当有效消息。

HTTP 请求含方法、目标与头，响应含状态、头与可选体。GET 获取表示，POST 请求资源特定处理。200 成功，404 无对应资源。JSON 是一种体格式，不等于 HTTP。HTTPS 使用 TLS 验证服务器并保护传输，但不能替代应用验证与授权。超时后重试修改需幂等设计避免重复。

下载脚本，在终端中使用 Python 3.11 或更新版本运行：python m11_stream.py. Windows 也可使用 py -3；部分系统使用 python3。实验仅用标准库。先预测结果，再运行并完成变体。不要使用 -O，以保留断言。下方输出由构建器实际运行捕获，两种语言使用相同代码与输出。

有限服务器发送一帧后关闭，客户端组装部分读取并检查 1024 字节上限。

下载 m11_stream.py

"""Receive a length-prefixed message even when reads return partial chunks."""
import socket
from threading import Thread
def read_exact(stream, count):
    result = bytearray()
    while len(result) < count:
        chunk = stream.recv(min(2, count - len(result)))
        if not chunk:
            raise EOFError("connection closed before complete frame")
        result.extend(chunk)
    return bytes(result)

with socket.socket() as listener:
    listener.bind(("127.0.0.1", 0)); listener.listen(1); listener.settimeout(5)
    payload = b"Dune,Foundation"
    errors = []
    def serve():
        try:
            connection, _ = listener.accept()
            with connection:
                connection.sendall(len(payload).to_bytes(4, "big") + payload)
        except Exception as error:
            errors.append(error)
    worker = Thread(target=serve); worker.start()
    with socket.create_connection(listener.getsockname(), timeout=5) as client:
        length = int.from_bytes(read_exact(client, 4), "big")
        if length > 1024: raise ValueError("frame too large")
        result = read_exact(client, length)
    worker.join(timeout=5)
    assert not worker.is_alive() and not errors and result == payload
    print("frame bytes:", length, "decoded:", result.decode("utf-8"))

frame bytes: 15 decoded: Dune,Foundation

1. 用含中的 UTF-8 文字并重算字节长度。
2. 声明比实际更长的体。
3. 声明五千长度，验证早拒绝。

查看 JSON 体、类型与状态。服务器仅本地绑定并在检查后关闭；http.server 用于学习，不是生产服务器。

下载 m11_http.py

"""A finite localhost HTTP experiment with JSON, statuses and cleanup."""
import json
from http.server import BaseHTTPRequestHandler, HTTPServer
from threading import Thread
from urllib.error import HTTPError
from urllib.request import urlopen
class Handler(BaseHTTPRequestHandler):
    def do_GET(self):
        if self.path != "/books":
            self.send_error(404); return
        body = json.dumps([{"id": 1, "title": "Dune"}]).encode("utf-8")
        self.send_response(200)
        self.send_header("Content-Type", "application/json; charset=utf-8")
        self.send_header("Content-Length", str(len(body)))
        self.end_headers(); self.wfile.write(body)
    def log_message(self, *args):
        pass

server = HTTPServer(("127.0.0.1", 0), Handler)
thread = Thread(target=server.serve_forever); thread.start()
try:
    base = f"http://127.0.0.1:{server.server_port}"
    with urlopen(base + "/books", timeout=5) as response:
        books = json.load(response)
        print("GET /books:", response.status, books)
        assert response.status == 200 and books[0]["title"] == "Dune"
    try:
        urlopen(base + "/missing", timeout=5)
    except HTTPError as error:
        print("GET /missing:", error.code); assert error.code == 404; error.close()
    else:
        raise AssertionError("missing resource must be 404")
finally:
    server.shutdown(); server.server_close(); thread.join(timeout=5)
    assert not thread.is_alive()

GET /books: 200 [{'id': 1, 'title': 'Dune'}]
GET /missing: 404

1. 加入返回 JSON 的 /health。
2. 空目录返回空列表。
3. 解释缺失路径与零匹配图书的区别。

先尝试，再展开解答。★ 应用概念；★★ 结合概念；★★★ 进行设计或证明。

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• Python 套接字指南 — 阅读发送接收与分帧，解释部分读取。
• HTTP 语义 RFC 9110 — 阅读 GET 与状态码定义，无需全文。

分别跟踪字节帧与 HTTP 响应，解释超时不能证明什么。模块 12 将用关系数据库持久保存目录。